工业上的应用和材料学的发展客观上要求对材料的力学性能测试进行实时动态观测。本研究部自主研发出了配合扫描电子显微镜的原位拉伸试验系统,成功地实现了对拉伸试验全过程的原位观测和微区分析,并初步具备了原位疲劳试验的功能。该系统使用直流伺服电机驱动机械部分对样品施加拉伸载荷,在基于PC104的嵌入式控制系统中,使用专用PID控制芯片实现电机的闭环控制,并在软件设计中对数据采集、原位保持等关键技术进行了算法优化,以实现较高的精度和稳定性。本文介绍了该系统的机械结构、软硬件组成,并展示了使用该系统对金属材料进行原位拉伸实验得到的数据和结果。该结果为材料的拉伸性能提供了很好的宏观和微观证据。

传统的以PC机为控制核心的AFM（atomic force microscope）来越无法满足快速成像的要求，具有先进控制系统的高速AFM正成为国内外的一个研究热点。本文介绍了一种以DSP（digital signal processor）为控制核心的AFM系统。在该系统中，自动进针，退针、扫描电压的产生、A／D采样、D／A输出以及数字闭环反馈控制等任务均在DSP控制下完成；在分辨率为．512×512时，可以获得行频55Hz的扫描速度。实验表明，即便在这样高速扫描的情况下，该系统仍具有良好的成像性能。

本文以德州仪器公司的TMS20C6713 DSP为基础,介绍了一种新型数字式SPM系统的硬件解决方案.文章首先指出原先的SPM系统的一些缺点,进而介绍数字信号处理器TMS320C6713芯片的一些优点,最后给出了基于该DSP芯片的主控板的主要结构以及整个数字式DSP-SPM系统的硬件方案.

为了扩大原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）使用范围,研制了一套大范围高速AFM系统。针对大范围高速扫描时Z方向控制问题,提出了前馈反馈混合控制方法。前馈控制包括自动调平前馈和基于前一行扫描前馈,前者通过多线扫描确定样品倾斜位置,将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,然后将其换算为Z向驱动电压后驱动下扫描器运动;后者利用前一行扫描高度数据作为当前行Z向扫描器驱动的参考输入。反馈控制为在普通比例-积分（PI）控制基础上改进的动态P参数PI控制,P参数设置与误差大小有关。实验结果表明：采用本控制方法最大控制误差由40.17nm减小为6.01nm,误差均方根值由22.85nm减小为2.01nm,明显抑制了误差信号,提高了Z向控制效果,获得了更精确的高度图像。

针对目前高速扫描型原子力显微镜（AFM）主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。

针对传统比例-积分-微分（PID）控制器参数整定困难的问题,提出一种新型比例-积分（PI）参数自动寻优控制器（SPO）.先确定PI参数的取值范围,按一定取值间距建立PI参数的查找表;针对反馈跟踪控制的3个性能指标,包括上升时间、超调量和稳态误差,分别根据查找表的参数进行轮询式测试,建立3个独立的性能评价数据库;根据满意度函数映射和自动规则产生算法,将3个评价数据库分别用函数表示;为了综合考虑3个性能指标,使系统控制的整体性能达到最佳,引入了价格函数;最后通过基于层截面颗粒度分析的图形算法,寻找出最优的PI参数.在原子力显微镜（AFM）上的实验证明,本控制器能自动寻找出适合当前系统状态的最优PI参数,可避免由于人为经验因素对扫描成像造成的影响,从而取得更好的扫描图像.

为了进一步扩大原子力显微镜（AFM）的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统。该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制。针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术。首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入。实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响。

针对现有微拉伸台系统误差较大的问题，作者研究了提高微拉伸台测量精度的数据处理方法．设计了高速、高精度数据采集系统，对比了线性拟合、多项式拟合、分段拟合和逐点比较数据处理方法，分析了各种数据处理方法在消除系统误差中的优缺点．数据处理方法采用Vc＋＋语言编程实现，可以在线矫正系统误差．实验结果表明，灵活运用上述处理方法可以有效地提高微拉伸台测量精度．